飞秒激光内加工微空腔结构的研究

发布时间：2020-03-28 11:48

【摘要】：飞秒激光内加工技术在制作具有复杂内部结构的微机械、微光学系统中有着较强的优势,特别是在制备具有中空三维结构的微流控芯片中有着无可取代地位。飞秒激光具有峰值功率高、脉冲宽度短等特点,在加工过程中可以直接聚焦在材料内部通过激光直写法得到中空微结构,解决了传统加工方法加工效率低、加工工艺复杂、样品成功率低、难以制备复杂三维构型内通道等问题,使得飞秒激光内加工技术得到了广泛的应用。本文以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为研究对象,对飞秒激光在其内部加工连续中空微通道进行了数值模拟及实验研究,主要内容及结果如下:1、研究了经飞秒激光辐照后材料表面、扩散深度1/4倍、1/2倍、3/4倍、1倍位置处的温度变化。材料经飞秒激光辐照后的温度变化不仅与激光的参数有关,还与材料对激光的吸收率、材料自身的特性等密切相关。研究表明,热扩散温度呈现先增加后减小的变化规律,且表面下方各点处的温度升至最高点的时刻逐渐滞后,可达到的温度最大值也随着深度的增加而减小。2、研究了不同重复频率飞秒激光的加工机制,对飞秒激光加工透明电介质材料过程中的热积累过程进行研究,分析出了不同重复频率的飞秒激光对加工效果的影响。研究表明,当照射的飞秒脉冲数量足够多时,在重复频率较低(1kHz)时无论照射多少脉冲都不存在热积累过程;当重复频率增大后(10kHz、100kHz),由于脉冲间隔时间小于热扩散时间,故单个脉冲产生的热量会被积累,并随着脉冲个数的增加使温度不断升高;当重复频率更高时(1MHz),热积累效应更加明显,材料温升速度也更快,能够达到的最高温度也在增加。3、研究了不同重复频率与加工阈值及加工效率的关系。研究证明高重复频率的飞秒激光可使阈值能量密度随重复频率的增加呈指数形式下降,重复频率越高,达到材料破坏阈值所需要的能量密度就越小。且随着重复频率的增加,材料达到相变温度所需要的时间越短,加工的效率越高。4、研究了不同飞秒激光加工参数对通道质量的影响。实验中采用自下而上的加工方式,在不经任何气体、液体辅助条件下即可通过激光直写法得到中空三维微通道,并具体研究了激光功率、加工速度、加工深度、扫描次数等因素对通道质量的影响。其中,激光功率的不同使得通道横截面圆度随之变化;随着扫描速度的增加,通道的直径呈现先增加后减小的变化规律;随着加工深度的增加,作用在材料上的激光功率及激光沉积能量随着深度的增加逐渐衰减,使得通道直径随着加工深度的增加而不断减小;当飞秒激光对通道进行多次快速扫描时,聚焦的激光会击穿中空通道内的气体形成等离子体,使得激光大部分能量被吸收并向周围辐射热能,导致微通道随着扫描次数增多发生结构破坏、通透性降低。5、利用钛宝石飞秒激光器在不经任何气、液辅助的条件下,在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)内部制备了连续中空微通道,并经过注液实验验证了通道具有良好的畅通性、透光性、亲水性。
【图文】：

聚合技术,双光子,加工示意图

第 1 章绪论的材料，如：金刚石、石英玻璃等，需要对其进行切割时，由于大（是钢铁的数十倍）、硬度高，用普通的长脉冲激光进行切割象严重、热量损失及材料切割边缘质量差等缺点，而采用飞秒激可以避免热效应对样品的破坏，获得较好的加工精度。）飞秒激光在双光子聚合中的应用子聚合是指物质在双光子吸收的基础上发生的光子聚合作用，双典型的三阶非线性光学效应，要求辐射光场有足够的强度。飞秒短、强度高等特点，很容易在材料中实现双光子吸收，因此在微非常重要的应用。双光子聚合常用的实验装置如图 1-1 所示，该

示意图,纳微米,示意图

图 1-1 双光子聚合技术加工示意图Fig. 1-1 Two-photon polymerization micro-nano processing schematic性成果是 SatoshiKawata[42]等人利用双光子聚合制造出了“纳微米牛”。激光器为锁模掺钛蓝宝石飞秒振荡器，其脉宽为 150fs，中心波长为 780频率为 76MHz，，激光使用 NA=1.4 的物镜进行聚焦后作用在待加工材料工材料为 SCR500 树脂材料。图 1-2 是“纳微米牛”的扫描电子显微（SE，该“纳微米牛”全身长为 10μm，高为 7 μm，最微小部分的尺寸仅为是迄今为止人类获得的最小的动物雕塑。该牛周身光滑、牛角锋利，神生，被认为是微纳技术的一个标志。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】